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Departamento de Física, Química e Matemática Um estudo de Sistemas Fuzzy: Modelo para estimar o Espalhamento da Tuberculose Trabalho de Conclusão de Curso Camila dos Santos Sant’Anna Orientadora: Profª Drª Magda da Silva Peixoto Sorocaba 2013

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Page 1: Um estudo de Sistemas Fuzzy · Aos professores do DFQM da UFSCar pela atenção e amizade, em especial aos professores Magda Peixoto, Wladimir Seixas, Silvia Carvalho, Antonio Venezuela,

Departamento de Física, Química e Matemática

Um estudo de Sistemas Fuzzy:

Modelo para estimar o Espalhamento da

Tuberculose

Trabalho de Conclusão de Curso

Camila dos Santos Sant’Anna

Orientadora: Profª Drª Magda da Silva Peixoto

Sorocaba 2013

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Um estudo de Sistemas Fuzzy:

Modelo para estimar o Espalhamento da

Tuberculose

Autora: Camila dos Santos Sant’Anna

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao

departamento de Física, Química e Matemática

(DFQM) da UFSCar, Campus Sorocaba, como

requisito parcial para a obtenção da graduação em

Licenciatura em Matemática.

Orientadora: Prof.ªDr.ª Magda da Silva Peixoto

Licenciatura em Matemática

Sorocaba 2013Sorocaba 2013Sorocaba 2013Sorocaba 2013

UNIVESIDADE FEDERAL DE SÃO CARLOS

Campus SOROCABA

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Agradecimentos

A Deus em primeiro lugar, pois sem Ele nada seria possível. Por seu imenso amor,

cuidado, misericórdia, ajuda, permissão e por ter me escolhido e me guiado nesse árduo

caminho.

Ao meu amado e querido Amor Lindo, por seu amor, carinho, cuidado, estímulo, e

incondicional apoio em todos os momentos da minha vida. Obrigada pelo seu amor que é tão

precioso para mim. Te Amo!

Aos meus avós pela criação e por tudo o que fizeram por mim durante minha vida.

À minha amiga Mayra pela amizade e ajuda e correção do inglês deste trabalho.

À minha querida orientadora e coordenadora Magda por sua credibilidade, amizade,

paciência, por seus conselhos, apoio e ajuda durante esses anos na graduação e pela excelente

e indispensável orientação durante a confecção desse trabalho.

Aos membros da Banca Examinadora Prof. Dr. Adilson Brandão, Prof. Dr. Wladimir

Seixas, pela avaliação, dedicação e sugestões dadas no intuito de melhorar a qualidade deste

trabalho. Também gostaria de agradecê-los pela dedicação e atenção e todo ensinamento

dedicados durante as aulas ministradas ao longo de minha graduação.

À minha Best Friend Tiemi pela linda amizade que construímos, por todo apoio, pelas

conversas, puxões de orelha, por todos os momentos que passamos juntas (bons e ruins) e

pelas inúmeras risadas durante todos esses anos. Saiba que te amo muito e que você é uma

pessoa muito importante para mim. Obrigada por tudo!

Aos colegas de curso pela companhia e convivência. Ao meu amigo Vitor pela

amizade, apoio e pelas inúmeras risadas.

Aos professores do DFQM da UFSCar pela atenção e amizade, em especial aos

professores Magda Peixoto, Wladimir Seixas, Silvia Carvalho, Antonio Venezuela, Paulo Oliveira

e Geraldo Pompeu.

À Universidade Federal de São Carlos – Campus Sorocaba instituição que possibilitou

a realização de minha graduação.

A todos que de alguma forma contribuíram direta ou indiretamente com meu

crescimento e formação.

Meus sinceros agradecimentos.

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RESUMORESUMORESUMORESUMO

Nos dias de hoje, onde cada vez mais o homem quer ter controle sobre o mundo

que o cerca, é crescente o interesse por processos quantitativos para predizer fenômenos

da realidade. Estes processos são, via de regra, obtidos por meio de modelos

matemáticos. Os fenômenos biológicos estudados por meio da modelagem matemática

fazem parte do ramo da ciência chamada Biomatemática.

Um sistema fuzzy é um sistema no qual a dinâmica é obtida através de um

sistema baseado em regras fuzzy. Nesse trabalho pretende-se estudar conceitos básicos

da Teoria Fuzzy e de sistemas baseados em regras fuzzy. A Teoria Fuzzy utiliza

conceitos e técnicas relativamente novos e seu emprego tem grande potencial, uma vez

que tal teoria tem se mostrado eficaz no tratamento de subjetividades características ao

fenômeno estudado.

Através do estudo de sistemas baseados em regras fuzzy pretende-se elaborar um

modelo matemático para estimar, ao longo do tempo, a quantidade de indivíduos

infectados pela bactéria causadora da tuberculose.

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ABSTRACTABSTRACTABSTRACTABSTRACT

Nowadays, when man increasingly wants to have control over the world that

surrounds it, is growing interest in quantitative processes to predict phenomena of

reality. These processes are usually obtained through mathematical models. The

biological phenomena studied by mathematical modeling are part of the field of science

called Biomathematics.

A Fuzzy System is a system in which the dynamics is obtained through a system

based on fuzzy rules. This work intends to study basic concepts of Fuzzy Theory and

systems based on fuzzy rules. Fuzzy Theory uses relatively new concepts and

techniques and its use in inaccurate studies has great potential, since such a theory has

been shown to be effective in the treatment of the studied phenomenonfeatures

subjectivities.

Through the study of fuzzy rules-based systems, is intended to develop a

mathematical model to estimate the amount of individuals infected over time by the

bacterium that causes tuberculosis by one individual already infected in a population of

susceptible individuals.

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Sumário

Resumo .................................................................................................................. 3

Abstract ................................................................................................................. 4

Agradecimentos .................................................................................................... 6

Lista de figuras......................................................................................................7

Lista de tabelas......................................................................................................8

Introdução.............................................................................................................9

1 Um pouco da história e conceitos básicos ...................................................... 12

1.1 Um breve relato através da História.........................................................12

1.2 Conceitos Básicos da Teoria Fuzzy.....................................14

1.3 Operações com subconjuntos Fuzzy........................................................16

1.4 O Conceito de -nível...............................................................................18

1.5 Princípios de Extensão .............................................................................19

1.6 Relações Fuzzy .........................................................................................21

1.7 Conectivos Lógicos ...................................................................................21

2 Sistemas baseados em regras fuzzy ................................................................ 24

3 Aplicações ......................................................................................................... 32

3.1 Introdução ao Problema...................................................................32

3.2 Formulação do Modelo Fuzzy...........................................................34

4 Considerações Finais......................................................................................39

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS....................................................................40

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Lista de Figuras

1 Operações com subconjuntos Fuzzy .......................................................................16

2 Imagem de um subconjunto fuzzy a partir do princípio de extensão de Zadeh para

uma função f (Fonte:Barros e Bassanezi, 2011)......................................................19

3 Defuzzificador Centro de Gravidade G(B)(Fonte:BARROS-BASSANEZI,

2011)................................................................................................................................26

4 Esquema geral de um controlador fuzzy(Fonte: PEIXOTO-BARROS-

BASSANEZI,2007)...............................................................................................................27

5 Esquema para um sistema de controle humano na tarefa de lavar roupa..............29

6 Controlador Fuzzy..............................................................................................30

7Variáveis de entrada (tecido e sujeira) e variáveis de saída (tempo de

lavagem)..........................................................................................................................31

8 Solução do controlador fuzzy: tempo de lavagem em função do tipo de tecido e

tipo de sujeira..................................................................................................................31

9 Método de Inferência de Mamdani e Centro de Gravidade.................................32

10 Gráfico número de infectados no Brasil............................................................36

11 Ajuste da curva..............................................................................................36

12 Sistema controle fuzzy para o modelo do espalhamento da tuberculose.............37

13 Variáveis do sistema..............................................................................................36

14Superfície da Variação do espalhamento da Tuberculose...................................37

15 Modelo fuzzy comparado ao ajuste da curva com os dados reais.......................37

16 Estimativa para o número de casos..................................................................39

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Lista de Tabelas

1 Estudantes e Grau de Estudo.........................................................................16

2 Operações com subconjuntos fuzzy................................................................19

3Taxa de Incidência de Tuberculose no Brasil (Fonte:[2])....................................35

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Introdução

Nos dias de hoje, onde cada vez mais o homem quer ter controle sobre o mundo

que o cerca, é crescente o interesse por processos quantitativos para predizer fenômenos

da realidade. Estes processos são, via de regra, obtidos por meio de modelos

matemáticos. Os fenômenos biológicos estudados por meio da modelagem matemática

fazem parte do ramo da ciência chamada Biomatemática. Muitos dos modelos da

Biomatemática são adaptações ou interpretações de princípios das ciências físicas,

principalmente quando utilizam-se da Lei de Ação das Massas em meios homogêneos.

Este procedimento é utilizado nos principais modelos de interação entre espécies como

os de Competição, Predação e Epidemiologia (EDELSTEIN-KESHET, 1987;

BASSANEZI, 2002 e BASSANEZI-FERREIRA, 1988).

Os modelos da Biomatemática mais utilizados, e que servem de paradigmas em

novos estudos, têm sido os clássicos modelos determinísticos. Tais modelos utilizam-se,

via de regra, das equações diferenciais, de diferenças ou integro-diferencial. Este é o

caso do clássico modelo de Lotka-Volterra (1926) para descrever a dinâmica do número

de presas (x) interagindo com certo número de predadores (y):

+−=

−=

xybydt

dy

xyaxdt

dx

β

α

(1)

onde a,b,α e β são constantes positivas, sendo a a taxa de crescimento das presas, b a

taxa de mortalidade dos predadores e α e β os coeficientes de interação entre as duas

espécies. Neste exemplo, os parâmetros α e β são de difíceis avaliações quantitativas.

Lotka (1926) propõe que o parâmetro α , por exemplo, seja a probabilidade de uma

presa ser encontrada e predada, supondo que todos os encontros são equiprováveis.

Levando-se em conta que, tanto as habilidades das presas quanto as dos predadores são

diferentes para indivíduos distintos, seria mais realista se α fosse representado por uma

distribuição de probabilidades. Neste caso, o modelo (1) tornar-se-ia mais representativo

para o fenômeno. Também os modelos clássicos de transmissão direta, em

Epidemiologia, têm sido bastante estudados. Os primeiros modelos matemáticos deste

tipo foram propostos por Kermack e McKendric (1927) através de equações

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diferenciais. A principal hipótese nestes modelos é que a razão de transmissão da

doença é proporcional ao número de encontros entre indivíduos suscetíveis e infectados.

As equações de Kermack e McKendric, para o modelo do tipo SI, ou seja, para

doenças que não remove indivíduos da população e também não há cura, são dadas por:

=

−=

SIdt

dI

SIdt

dS

β

β

(2)

onde S e I representam a proporção de indivíduos suscetíveis e infectados

respectivamente e β é o coeficiente de transmissão da doença.

O modelo (2) acima pré-supõe homogeneidade tanto na classe dos suscetíveis

quanto na dos infectados, no sentido que todos os indivíduos têm mesma chance tanto

de transmitir como de ser infectado. No entanto, é claro que essa é uma simplificação da

realidade. Por exemplo, de acordo com especialistas, indivíduos com baixíssima carga

viral têm menos chance de infectar que aqueles com carga viral alta. Também

indivíduos com baixa resistência têm mais chance de adquirir a doença que aqueles com

alta resistência. Aqui surge a questão, o que significa carga viral baixa? E alta

resistência? Esses são termos incertos e podem ser modelados de acordo com

especialistas do fenômeno de interesse. Essas são incertezas tipicamente linguísticas e

que, portanto, fogem à modelagem tradicionalmente proposta pela teoria estocástica.

Muitas das incertezas que encontramos nos fenômenos são provenientes apenas da

subjetividade da nossa linguagem. Esse é o caso típico de alguns procedimentos

adotados em Biomedicina para diagnosticar e controlar alguma doença em paciente. Por

exemplo, para se controlar determinada doença, observam-se os sinais ou sintomas

apresentados pelo paciente. A gravidade destes sinais indicará o procedimento médico a

ser adotado. O termo “gravidade” é subjetivo no sentido de apresentar graduações. Pois

bem, incertezas devido à gradualidade são tipicamente tratadas por meio de métodos

fuzzy (ORTEGA et al, 1997). No entanto, termos incertos como estes, têm sido tratados

por meio da Teoria Fuzzy (BARROS e BASSANEZI, 2011), que é o principal objetivo

desse trabalho.

Nossa principal proposta neste trabalho de conclusão de curso se refere ao

estudo de incertezas e seus tratamentos matemáticos, através do estudo de conceitos

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básicos da Teoria Fuzzy, mais especificamente Sistemas Baseados em Regras Fuzzy.

Daremos ênfase aqui aos métodos fuzzyuma vez que a aluna não estudou este conteúdo

em seu curso de graduação. Entendemos que o estudo de sistemas fuzzy irá

complementar a formação.

A Teoria Fuzzy tem sido uma ferramenta com fundamentação teórica para se

estudar quantitativamente fenômenos onde aspectos de gradualidades (e, portanto de

qualidades) são julgados fundamentais para seu modelamento matemático (BARROS-

BASSANEZI, 2011).

Os conceitos e técnicas da Teoria Fuzzy são relativamente novos e seu emprego

em Biomatemática tem grande potencial, uma vez que tal teoria tem se mostrado capaz

de incorporar subjetividades inerentes ao fenômeno estudado.

Ao final, elaborou-se um modelo matemático utilizando um sistema baseado em

regras fuzzy para estimar a quantidade, ao longo do tempo, de indivíduos infectados pela

bactéria causadora da tuberculose.

O modelo matemático foi desenvolvido utilizando-se o software MatLab, que

possui ferramenta (Toolbox Fuzzy) que possibilita trabalhar com sistemas fuzzy.

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Capítulo 1 – Conceitos Básicos da

Teoria Fuzzy

1.1 Um breve relato através da História

Ao longo do tempo, filósofos e pesquisadores têm se preocupado com

questionamentos a respeito de incertezas. Entre esses questionamentos está a busca da

verdade, do que é e do que existe de fato, desde a Grécia Antiga, quando os gregos

lançaram a questão “Transformação ou Pertinência?”, fazendo referência às duas

dimensões do pensamento.

Os filósofos procuravam fazer afirmações que sintetizavam seus pensamentos

sobre o universo na tentativa de explicar as coisas que existiam nele.

Para Parmênides de Eléia (VI – V a.C), “a única coisa que existe é o ser – que é

o mesmo que pensar”. O ser é imutável e imóvel, uno e contínuo, idêntico a si mesmo.

Já os sofistas interpretam Parmênides concluindo a impossibilidade do falso discurso.

Para eles não existem verdades absolutas e o homem deve buscar soluções para

questões práticas. A maioria dos filósofos pré-socráticos acreditavam que havia algo

externo e imutável por detrás do vir-a-ser, e que esse externo era a origem, a sustentação

e o fim de todos os seres.

Contudo, a certeza e a incerteza foram amplamente debatidas pelos filósofos

gregos; não interessando saber como as coisas são, pois tudo é relativo e depende da

opinião de cada um a respeito. De acordo com Platão, o mais importante não é o

conceito final, mas o caminho para se chegar até ele(BARROS e BASSANEZI, 2011).

A diferença fundamental entre os principais filósofos gregos está no fato de

que para uns existe uma verdade objetiva, eterna, imutável, que depende dos seres

humanos; no momento em que para outros, não existe nenhuma verdade absoluta,

eterna e imutável e, sim, apenas o conhecimento relativo aos nossos sentidos. Diante de

toda essa discussão, há uma grande dificuldade em se falar a respeito de certeza ou

incerteza. Ao procurarmos no dicionário o significado da palavra incerteza,

encontraremos termos como subjetividade, imprecisão, aleatoriedade,

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dúvida,indecisão, ambiguidade. O que se pode perceber é que, em relação a um

tratamento quantitativo há uma distinção dos vários tipos de incertezas.

Matematicamente, a incerteza que provém da aleatoriedade de eventos ocupa

lugar de destaque. Em contrapartida, algumas variáveis (variáveis linguísticas

provenientes da necessidade de se distinguir qualificações por meio de graduações),

utilizadas em nosso dia-a-dia e que são compreendidas linguisticamente,

frequentemente permanecem fora do tratamento matemático tradicional. Por exemplo,

alguns conceitos como alto, fumante, infeccioso, que são relacionados ao mundo

sensível, são descritos através de graus que representam qualidades ou verdades

subjetivas.

A Teoria Fuzzy tem contribuído exatamente nesses tipos de incertezas, fazendo

uso de uma linguagem conjuntista, definindo, por exemplo, ao “conjunto” das pessoas

altas, fumantes ou infecciosas; ou seja, que são definidos por meio de propriedades

subjetivas.

A Teoria Fuzzy surgiu a partir de desafios como esse, no qual a propriedade

que define o conjunto é incerta e tem crescido consideravelmente em nossos dias, tanto

do ponto de vista teórico como nas aplicações nas diversas áreas estudo, sobretudo na

tecnologia.

A palavra “fuzzy” tem origem inglesa e significa incerto, vago, impreciso,

subjetivo, nebuloso, difuso. Porém, nenhuma dessas traduções contempla o sentido

amplo da palavra. Além disso, em quase todos os países a palavra fuzzy tem sido

utilizada sem tradução para a língua pátria, salvo exceções como França e alguns países

latinos.

A Teoria Fuzzy foi introduzida pelo matemático Lofti Asker Zadeh em 1965

(BARROS e BASSANEZI, 2011) com a principal intenção de dar um tratamento

matemático a certos termos linguísticos subjetivos, como “aproximadamente”, “em

torno de”, entre outros.

Ao conseguir controlar uma máquina de vapor usando a teoria de Zadeh em

1974, o professor Mamdani da Queen Mary College- Universidade de Londres, aplicou

o raciocínio fuzzy.

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1.2 Conceitos Básicos

Para a formalização matemática de um conjunto fuzzy, Zadeh baseou-se no fato

de qualquer conjunto clássico (ou conjunto crisp) pode ser caracterizado por uma função

característica e que é definida por:

Definição 1: Seja U um conjunto e A um subconjunto de U. A função

característica de A é dada por:

Tal função, cujo domínio é U e a imagem está contida no conjunto indica

quando um elemento pertence ou não a . Dessa forma, a função característica

descreve completamente o conjunto A, uma vez que indica quais elementos do conjunto

são elementos de .

Entretanto, existem casos em que a pertinência entre os elementos desse

conjunto não é precisa. Diante disso, Zadeh formulou um subconjunto fuzzy, através da

ampliação do conjunto imagem da função característica que passa então a ser todo o

intervalo [0,1].

Definição 2: Seja U um conjunto (clássico). Um subconjunto fuzzy F de U é

caracterizado por uma função

,

chamada função de pertinência do subconjuntofuzzy .

O valor indica o grau com que o elemento de está no conjunto

fuzzy e indicam, respectivamente, a não pertinência e a

pertinência completa de ao conjunto fuzzy .

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Um subconjunto fuzzy é composto de elementos de um conjunto clássico ,

decorrentes de um valor de pertinência a , dado por . Assim, um subconjunto

fuzzy de é dado por um conjunto (clássico) de pares ordenados:

Além disso, temos o subconjunto clássico de U definido por:

denominado suporte de F tem papel fundamental na interrelação entre as teorias de

conjuntos clássica e fuzzy.

Exemplo 1

Tabela 1 – Estudantes e Grau de Estudo

Estudantes Grau de Estudo

B =Bia 0,25

C = Camila 0,25

D = Daniel 0,8

Os dados da tabela podem ser representados como:

É importante destacar que o sinal + não representa uma soma, mas sim um

modo de relacionar os elementos do conjunto fuzzyF.

A forma geral de representar o conjunto fuzzy F quando U é finito é:

Também podemos definir a cardinalidade de um conjunto fuzzy como sendo a

soma dos graus de pertinência do conjunto, representado da seguinte forma:

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Exemplo 2

Seja o conjunto U = {1,2,3,4,5,6}, representado como

Exemplo 3(Números naturais pequenos)

Considere o subconjunto fuzzy F dos números naturais pequenos

O número 0 (zero) pertence a esse conjunto? E o número 1000?

Na Teoria Fuzzy, poderíamos dizer que ambos pertencem a F, porém com

diferentes graus, dependendo da função de pertinência que caracteriza o subconjunto

fuzzy F. A função de pertinência associada a F deve ser “construída” de forma coerente

com o termo “pequeno” (BARROS e BASSANEZI, 2011).

Uma possibilidade para a função de pertinência de F é

Logo, podemos dizer que o número 0 pertence a F com grau de pertinência

, enquanto que 1000 pertence a F com grau de

pertinência . Ou seja, quanto mais longe do 0, menos “pequeno” ele

será.

Neste caso, a escolha da função foi feita de maneira arbitrária, apenas

levando-se em conta o significado da palavra “pequeno”.

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1.3 Operações com subconjuntos Fuzzy

Sejam A e B dois subconjuntos fuzzy de U, com funções de pertinência

indicadas respectivamente por e . Vamos definir as operações de união, interseção

e complementar desses conjuntos.

Vamos dizer que A é subconjunto fuzzy de B e escrever , se

para todo

É importante lembrar que o conjunto vazio tem função de pertinência

, enquanto que o conjunto universo (U) tem função de pertinência

, para todo Dessa forma, pode-se dizer que e que para

todo A.

Definição 3: A união entre A e B é o subconjunto fuzzy de U cuja função de

pertinência é dada por:

Definição 4: A interseção entre A e B é o subconjunto fuzzy de U cuja função

de pertinência é dada por:

Definição 5: O complementar de A é o subconjunto fuzzy A’ de U cuja função

de pertinência é dada por

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Figura 1 – Operações com subconjuntos Fuzzy

Exemplo 4Exemplo 4Exemplo 4Exemplo 4 (Conjunto fuzzydos febris e/ou mialgia)

Seja o conjunto U composto pelos pacientes de uma clínica, identificados pelos

números 1, 2, 3 e 4. Sejam ainda, A e B os subconjuntos fuzzy que representam os

pacientes com febre e mialgia (dor muscular), respectivamente.

A tabela abaixo ilustra as operações união, interseção e completamento.

Tabela 2 – Operações com subconjuntos fuzzy.

PacientePacientePacientePaciente Febre: AFebre: AFebre: AFebre: A Mialgia: BMialgia: BMialgia: BMialgia: B

A’A’A’A’

B’B’B’B’

1111 0,7 0,6 0,7 0,6 0,3 0,4

2222 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0

3333 0,4 0,2 0,4 0,2 0,6 0,8

4444 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5 0,5

Não podemos deixar de mencionar uma classe especial de conjuntos crisps que

está estreitamente ligada com cada subconjunto fuzzy. Esses conjuntos crisps indicam

limiares das incertezas representadas por cada conjunto fuzzy.

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1.4. O conceito de

Entendemos por , o conjunto clássico dos elementos

tais que estão em uma classe se seu grau de

pertinência é maior que um determinado valor limiar ou nível que define

aquela classe. Uma vez que um subconjunto fuzzy A de U é “formado” por elementos de

U com certa ordem (hierarquia) que é traduzida através de classificação por graus. Tal

conjunto é denotado por

Definição 6 ( ): Seja A um subconjunto fuzzy de U e . O

de A é o subconjunto clássico de U definido por

para

Exemplo 5 ( :

Seja A um subconjunto fuzzy dos números reais representado por

Definição 7: Suporte de um conjunto são todos os elementos de que

tem grau de pertinência diferente de zero em e denotamos por

Vale destacar que o nível zero de um subconjunto fuzzy A é definido como

sendo o menor subconjunto (clássico) fechado de U que contém o conjunto suporte de

A. Matematicamente, é o fecho do suporte de A e é indicado por A.

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Faremos agora, menção ao Princípio de Extensão, que nada mais é do que um

método utilizado para estender operações típicas de conjuntos clássicos.

1.5. Princípio de Extensão de Zadeh

O método de extensão proposto por Zadeh também conhecido como Princípio

de Extensão, surgiu da necessidade de se estender conceitos da teoria dos conjuntos

clássica para a teoria dos conjuntos fuzzy, com a finalidade de estender conceitos

matemáticos não-fuzzy em fuzzy.

O princípio de Extensão de Zadeh para uma função tem por objetivo

indicar como será a imagem de um subconjunto fuzzy A de X por meio de f .

Definição 8(Princípio de Extensão de Zadeh) : Seja uma função e A

um subconjunto fuzzy de X. A extensão de Zadeh de f é a função que, aplicada a A,

fornece o subconjunto fuzzy de Z, cuja função de pertinência é dada por

O processo gráfico para obtenção é ilustrado a seguir.

Figura 2 – Imagem de um subconjunto fuzzy a partir do princípio de extensão

de Zadeh para uma função f.

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Exemplo 6:Seja a função dada por . Considere

os subconjuntos fuzzy finitos de .

Solução:

Portanto,

1.6. Relações Fuzzy

Matematicamente, o conceito de relação fuzzy é formalizado a partir do produto

cartesiano usual entre conjuntos, estendendo a função característica de uma relação

clássica para uma função de pertinência.

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Definição 9: Uma relação fuzzy R sobre é qualquer

subconjunto fuzzy de . Assim, uma relação fuzzy R é definida por uma

função de pertinência

Definição 10: O produto cartesiano fuzzy dos subconjuntos

fuzzy de , respectivamente, é a relação

fuzzy , cuja função de pertinência é dada por:

,

Onde representa o mínimo.

1.7. Conectivos Lógicos

Na Matemática Clássica, os estudos relacionados à Lógica são realizados com

o estudo dos conectivos “e”, “ou” e “implicação”. Esses conectivos são utilizados em

sentenças como:

“Se a está em A e b está em B, então c está em Cou d não está em D”.

(1.6)

De acordo com BARROS e BASSANEZI (2011) os valores lógicos para cada

conectivo são estudados através de tabelas verdades. Dessa forma, o valor lógico de

uma sentença, formada a partir de duas ou mais proposições é formada por meio de

composições das tabelas verdades dos conectivos presentes nessa tabela.

Para avaliar logicamente a expressão (1.6) através dos conectivos, admitimos

que a mesma somente poderia assumir os valores 0 ou 1. Vamos, agora, analisar

logicamente esta expressão admitindo que os conjuntos de (1.6) sejam fuzzy.

Primeiramente, devemos atribuir um valor que indique o quanto a proposição

“a está em A” é verdadeira, com Afuzzy, sendo que um elemento a pode pertencer a A

com valores no intervalo . Para realizar a análise lógica dos conectivos no sentido

fuzzy, devemos estendê-los. Essas extensões são obtidas por meio das normas e

conormas.

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Definição 11 (t-norma): O operador : . , é

uma t-norma se satisfazer as seguintes condições:

1) Elemento Neutro: ;

2) Comutatividade: ;

3) Associatividade: ;

4) Monotonicidade: se e então .

A operação t-conorma estende o operador que modela o conectivo “e”.

Exemplos:

Demonstração: Óbvio.

Demonstração: Considerando as propriedades da multiplicação usual:

1) Elemento Neutro:

2) Comutatividade:

3) Associatividade:

4) Monotonicidade: se , multiplicando ambas temos:

Definição 12 (t-conorma): O operador

∇ , é uma t-conorma se satisfazer as seguintes

condições:

1) Elemento Neutro: ;

2) Comutatividade: ;

3) Associatividade: ;

4) Monotonicidade: se e então ;

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O operador t-conorma ∇: estende o operador do

conectivo “ouououou”.

Exemplos:

Demonstração: Óbvio.

Demonstração: Considerando as propriedades de soma, subtração e

multiplicação usuais:

1) Elemento Neutro:

2) Comutatividade:

3) Associatividade:

4) Monotonocidade: se

(1)

(2)

Subtraindo (1) e (2) temos:

(cqd).

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Capítulo 2– Sistemas Baseados em

Regras Fuzzy

“Há e haverá muitas tarefas que os homens podem cumprir com facilidade,

que vão além da capacidade de qualquer computador, qualquer máquina e qualquer

sistema lógico que podemos conceber nos dias de hoje.”

(Loft A. Zadeh)

Os mais diversos sistemas do mundo real são controlados pelas ações humanas

através de informações imprecisas.

Cada indivíduo recebe informações que são interpretadas de acordo com seus

parâmetros para mais tarde decidir a atitude a ser tomada. O controle e a execução de

tarefas devem seguir uma sequência de “ordens” linguísticas, traduzidas por um

conjunto de regras, capazes de serem decodificadas pelo controlador.

As tarefas nos controladores fuzzy são comandadas através de termos da

linguagem usual, relacionados a alguma variável de interesse, e nesse aspecto variáveis

linguísticas desempenham papel fundamental. Tais termos, traduzidos por conjuntos

fuzzy, são utilizados para transcrever a base de conhecimentos através de uma coleção

de regras fuzzy (base de regras fuzzy). A relação fuzzy é obtida a partir dessa base de

regras, com a finalidade de produzir a saída (resposta, ação) para cada entrada (estado,

condição).

Geralmente, para um sistema fuzzy qualquer cada entrada fuzzy corresponde a

uma saída fuzzy. Essa característica também é encontrada nos controladores fuzzy.

Porém, se a entrada for crisp (ponto de ), espera-se que a saída também seja crisp

(ponto de ). Neste caso, um sistema fuzzy é uma função de construída de

maneira específica.

Um Sistema Baseado em Regras Fuzzy (SBRF) possui quatro componentes:

um processador de entrada (fuzzyficador), uma base de regras, um método de inferência

e um processador de saída (defuzzyficador).

Método de Fuzzyficação: Neste estágio as entradas do sistema são modeladas

por conjuntos fuzzy com seus respectivos domínios. É nele que a importância de

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especialistas do fenômeno a ser modelado é justificada. Juntamente com esses

especialistas, as funções de pertinência são formuladas para cada conjunto fuzzy

envolvido no processo. Mesmo que a entrada seja crisp, ela será fuzzyficada por meio de

sua função característica.

Base de regras: Faz parte do “núcleo” do controlador fuzzy. É composto pelas

proposições fuzzy e cada uma dessas proposições é descrita de acordo com as

informações de um especialista. Neste ponto, as variáveis e suas classificações

linguísticas são catalogadas e, em seguida, modeladas por conjuntos fuzzy, ou seja,

funções de pertinência. Nos sistemas fuzzy cada proposição tem forma

Se “estado” então “resposta”

sendo cada “estado” e cada “resposta” valores assumidos por variáveis linguísticas, que

por sua vez são modelados por conjuntos fuzzy. Os conjuntos fuzzy que compõem o

“estado” são chamados de antecedentes. Em contrapartida, os conjuntos fuzzy que

compõem a “resposta” são chamados consequentes. Particularmente, cada regra dos

controladores fuzzy tem a forma:

Se “condição” então “ação”.

Em síntese, a base de regras cumpre o papel de “traduzir” matematicamente as

informações que formam a base de conhecimentos do sistema fuzzy. E, quanto mais

precisas forem tais informações, menos fuzzy (mais crisp) será a relação fuzzy que

representa a base de conhecimentos.

Método de inferência fuzzy: Cada proposição fuzzy é “traduzida”

matematicamente por meio das técnicas da lógica fuzzy. Basicamente, é dele que

depende o sucesso do controlador fuzzy, uma vez que ele fornecerá a saída (controle)

fuzzy a ser adotada pelo controlador, a partir de cada entrada fuzzy.

De acordo com BARROS e BASSANEZI (2011), Mamdani propôs do ponto

de vista teórico, uma relação fuzzy binária entre x e u para modelar matematicamente

a base de regras.

Tal relação recebeu o nome de “Método de Mamdani’ e tem por base a regra

de composição de inferência max-min e segue o seguinte procedimento:

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• Em cada regra , da base de regras fuzzy, a condicional “sex é entãou

é ” é modelada pela aplicação (mínimo) que, erroneamente,

costuma ser denominada por implicação de Mamdani ( não é uma

implicação fuzzy, pois não preserva a tabela de uma implicação

clássica);

• Adota-se a t-conorma (mínimo) para o conectivo lógico “e”;

• Para o conectivo lógico “ou” adota-se a t-conorma (máximo) que

conecta as regras fuzzy da base de regras.

Formalmente, a relação fuzzy M é o subconjunto fuzzy de X U cuja função de

pertinência é dada por

Sendo r o número de regras que compõem a base de regras e, são os

subconjuntos fuzzy da regra j. Os valores e são interpretados como os

graus com que x e u estão nos subconjuntos fuzzy , respectivamente.

Métodode defuzzyficação: Processo que permite representar um conjunto

fuzzy por um valor crisp (número real).Veremos a seguir métodos para defuzzyficar a

saída a fim de se obter um número real para esses casos.

• Centro de Gravidade , Centróide ou Centro de Áreas: Método

semelhante à média aritmética para uma distribuição de dados. Porém, aqui os valores

indicam o grau de compatibilidade do valor com o conceito modelado pelo

conjunto fuzzy B.Este método fornece a média das áreas de todas as figuras que

representam os graus de pertinência de um subconjunto fuzzy. Os domínios discreto e

contínuo são representados pelas equações a seguir, respectivamente.

(1)

(2)

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29

Figura 3: Defuzzificador Centro de Gravidade G(B)

Este é o método utilizado nesse trabalho.

• Centro de Máximos Neste método são levadas em conta apenas

as regiões de maior possibilidade entre os possíveis valores da variável que modela o

conceito fuzzy em questão. Neste caso, tem-se:

(3)

sendo,

e

• Média dos Máximos

É mais utilizado como defuzzyficador para domínios discretos. É dado por:

(4)

sendo,

os elementos de maior pertinência ao conjunto fuzzy B, ou seja, para cada i

toma-se

.

A figura 7, a seguir, representa um esquema geral de um controlador fuzzy.

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Figura 4: Esquema geral de um controlador fuzzy.

Exemplo 9: Um especialista é capaz de lavar roupas a ponto de deixa-las

limpas, segundo seu conceito de limpeza.

O esquema abaixo (figura 5) representa de uma maneira simplificada, as ações

do especialista (controlador humano) na execução da tarefa de lavar roupas.

Figura 5: Esquema para um sistema de controle humano na tarefa de lavar

roupa.

Nesse exemplo pode-se observar um possível caminho para automação de

tarefas. As ordens a serem enunciadas por regras poderiam ser, por exemplo:

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Quadro 1 – Regras de um sistema de automação na lavação de roupas.

Nesse caso, o sistema baseado em regras fuzzy (Figura 6) possui duas variáveis

de entrada (tecido e sujeira)e uma variável de saída (tempo de lavagem). A variável de

entrada tecido é definida pelos subconjuntos fuzzy {fino, grosso}, a variável de entrada

sujeira é definida pelos subconjuntos fuzzy {fácil, difícil} e a variável de saída tempo de

lavagem é definida pelos subconjuntos fuzzy {pouco, médio, muito} como ilustrado na

Figura 5.

Figura 6: Controlador Fuzzy

então

lava-se “muito tempo”.

Ou

oupa é “grossa” e a sujeira é “fácil”, então lava-

se “ em tempo médio”.

Ou

oupa é “fina” e a sujeira é “fácil”, então lava-se

“ em pouco tempo”.

Ou

“em tempo médio”.

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Figura 7: Variáveis de entrada (tecido e sujeira) e variáveis de saída (tempo de

lavagem).

A saída obtida pelo sistema fuzzy está representada na Figura 6:

Figura 8: Solução do controlador fuzzy: tempo de lavagem em função do tipo

de tecido e tipo de sujeira.

No exemplo 9 supõe-se que cada tarefa seja executada por um ser humano,

logo não precisa de qualquer ferramenta matemática. Isso não ocorre com os

controladores fuzzy. As variáveis em questão são: roupa (r) a ser lavada; sua sujeira (s) e

o controle adotado (e), além de cada uma das classificações “grossa” ou “fina”, para a

roupa, “fácil” ou “difícil” para a sujeira; “muito tempo”, “pouco tempo” ou “tempo

médio”, para a ação de lavar, dever ser modelada por um conjunto fuzzy.

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Por exemplo, para o tecido classificado como 3 (nota dada entre 0 e 10) e

sujeira como 6 (nota entre 0 e 10), tem-se como saída, que representa o tempo de

lavagem, o valor 0,469,ou seja, 47% do ciclo todo de lavagem da máquina (Figura 7).

Figura 9: Método de Inferência de Mamdani e Centro de Gravidade

O exemplo “Roupa Suja” é um caso típico de um SBRFTentativas para

reproduzir estratégias de um controlador humano são dadas pelos Controladores

Fuzzy, cuja finalidade é apenas de interpretação. Quando entradas e saídas representam

respectivamente a “condição” e a “ação” correspondente a essa condição, os SBRF são

denominados Controladores Fuzzy.

No próximo capítulo apresentamos um modelo matemático através de um

sistema fuzzy para estimar a quantidade, ao longo do tempo de indivíduos infectados

pela bactéria causadora da tuberculose.

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Capítulo 3 – Aplicação: um estudo

para Tuberculose

Inicialmente, foram estudados os conceitos básicos da Teoria Fuzzy visando o

aprendizado, o entendimento e a capacitação para a elaboração de um modelo

matemático da propagação da tuberculose em uma população de indivíduos suscetíveis

utilizando um sistema baseado em regras fuzzy.

Tal modelo foi desenvolvido utilizando o software MatLab, que possui

ferramenta (Toolbox Fuzzy) que possibilita trabalhar com sistemas baseados em regras

fuzzy.

1.1 Introdução ao Problema

Anualmente, 1960 milhões de pessoas são infectadas, aproximadamente, com

tuberculose em todo o mundo. Embora hoje esta doença tenha tratamento, ainda mata

todos os anos 1,7 milhões de pessoas, principalmente na África e no sudeste da Ásia.

Controlada pela Organização Mundial da Saúde (OMS) e por outras organizações de

saúde, e com tratamentos cada vez mais eficazes para doenças imunes, o número de

casos mundiais vêm caindo consideravelmente em todos os continentes. No ranking

mundial, o Brasil encontra-se na 19a posição, em relação aos países com maior número

de casos da doença.

A tuberculose (antigamente chamada de “peste cinzenta”) ou “doença do peito”

é uma das doenças infecciosas registradas há tempos e que até os dias de hoje continua a

aflingir a humanidade. É causada pelo Mycobacterium tuberculosis, também conhecido

como Bacilo de Koch. Estudos estimam que essa bactéria tenha evoluído a partir de

outras bactérias do gênero Mycobacterium, há 40.000 anos.

A ocorrência dessa doença está diretamente relacionada à forma como se

organizam seus processos de produção e reprodução, por esse motivo pode-se

considerar como uma doença socialmente determinada. Tais processos estão associados

ao modo de viver e trabalhar do indivíduo.

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Tuberculose pulmonar é a forma mais frequente e generalizada da doença.

Entretanto, o bacilo causador da tuberculose também pode afetar outros órgãos, como a

laringe, os ossos e as articulações, a pele, os intestinos, os rins, os gânglios linfáticos e

até o sistema nervoso.

Sua transmissão ocorre através de aerossóis produzidos por um indivíduo

contaminado quando este tosse, fala, espirra ou cospe.

O primeiro sucesso genuíno de vacinação contra a tuberculose foi desenvolvido

a partir de linhagens atenuadas da tuberculose bovina em 1906. Era a vacina BCG

(Bacilo de Calmette e Guerin), que foi usada pela primeira vez em humanos em 18 de

julho de 1921 na França.

Provavelmente, é a doença infecto-contagiosa que mais ocasiona mortes no

Brasil. Estima-se, ainda, que mais ou menos 30% da população mundial esteja

infectada, embora nem todos venham a desenvolver a doença.

Os principais sintomas da tuberculose são tosse por mais de três semanas,

produção de catarro, febre, sudorese, cansaço, dor no peito, falta de apetite e

emagrecimento.

Contudo, faz-se importante o estudo do comportamento dessa doença

transmissível para a sua possível prevenção, controle e esclarecimento. Deste modo, é

de grande valia a realização de estudos, como o proposto neste projeto, uma vez que

será possível observar o comportamento do espalhamento de uma doença causada por

uma bactéria em uma população. É, portanto, uma proposta relevante para saúde

pública.

Para PEIXOTO e BARROS (2004)a epidemiologia tem por finalidade

estabelecer, a partir dos estudos a cerca do fenômeno epidêmico, hipóteses matemáticas

que quantifiquem os conhecimentos biológicos relacionados à transmissão de

determinadas infecções, com o objetivo de estudar a evolução de epidemias.Em doenças

onde a transmissão é direta, para que uma nova infecção ocorra, é necessário que haja

indivíduos infectantes e suscetíveis na população para, então, propiciar condições

favoráveis para a transmissão do agente infeccioso.

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1.2 Formulação do Modelo Fuzzy

Como observado acima, a Tuberculose é uma doença infecto-contagiosa cuja

ocorrência está relacionada à forma como se organizam seus processos de produção e

reprodução, considerada, dessa forma, como uma doença socialmente determinada,

onde sua transmissão ocorre através de aerossóis produzidos por um indivíduo

contaminado quando esse tosse, fala, espirra. Essas são características importantes do

fenômeno que serão incorporados ao modelo.

Diante dessas características, o primeiro passo para a formulação do modelo foi

a coleta de dados dos indivíduos infectados no Brasil, de acordo com a tabela a seguir:

Tabela 4: Taxa de Incidência de Tuberculose no Brasil

Fonte: Ministério da Saúde. (http://portal.saude.gov.br)

Em seguida, utilizamos o software Excel para fazer um ajuste da curva do

número total de infectados no Brasil nos últimos 22 anos, como mostra a figura 9.

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Figura 10: Gráfico número de infectados no Brasil

Inicialmente, podemos observar uma oscilação (sem período constante)

associado a uma tendência exponencial e dessa forma ajustamos os dados reais para a

função exibida na Figura 11.

Figura 11: Ajuste da Curva

A partir das informações acima, podemos considerar que o espalhamento da

Tuberculose no Brasil apresentou um decrescimento de forma suave ao longo dos

últimos anos. A taxa de variação desse decrescimento é definida por ,

sendo a população infectada, para diferentes intervalos de tempo.

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Figura 12: Sistema de Controle Fuzzy para o Modelo do Espalhamento da TB.

A população de indivíduos infectados pela Tuberculose foi subdividida em

Muito Baixa, Baixa, Média, Alta e Muito Alta, de acordo com o número de infectados.

Figura 13: Variáveis do sistema.

O modelo fuzzy foi composto por um sistema de base de regras fuzzy. As

variáveis são População infectada (entrada) e sua Variação (saída). De acordo com os

dados obtidos foram propostas 5 regras:

1. SE (População é muito baixa) ENTÃO (Variação é baixa) (1)

2. SE (População é baixa) ENTÃO (Variação é média) (1)

3. SE (População é média) ENTÃO (Variação é média) (1)

4. SE (População é alta) ENTÃO (Variação é média) (1)

5. SE (População é muito alta) ENTÃO (Variação é alta) (1)

Adotamos o método de inferência de Mamdani e a defuzzyficação do centro de

gravidade, e com isso se obteve a curva dada pela Figura 14.

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0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

População

Variação

Figura 14: Superfície da variação do espalhamento da Tuberculose

Optamos por trabalhar com uma faixa onde os dados reais estivessem contidos.

Dessa forma, a Figura 15 apresenta dois ajustes exponenciais (dados reais contidos

numa faixa), dados reais e curva gerada pelo modelo fuzzy.

Figura 15: Modelo fuzzy comparado ao ajuste da curva com os dados reais

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Aumentando o número de simulações, podemos observar que a solução

fornecida pelo sistema fuzzy encontra-se dentro da faixa de dos reais.

Figura 16: Estimativa para o número de casos

Para finalizar, se considerarmos uma condição inicial sendo um número fuzzy,

obtemos a solução descrita na Figura 17.

Figura 17 – Solução com condição inicial fuzzy

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Capítulo 4 – Considerações Finais

Esse trabalho iniciou-se com estudo de conceitos básicos da Teoria Fuzzy e de

Sistemas Fuzzy. A Teoria Fuzzy utiliza conceitos e técnicas relativamente novos e seu

emprego em estudos imprecisos tem grande potencial, uma vez que tal teoria tem se

mostrado eficaz no tratamento de subjetividades características ao fenômeno estudado.

O uso de modelos matemáticos é uma importante ferramenta para predizer

fenômenos da realidade. O sistema de regras fuzzy, em especial, facilita a modelagem

matemática, uma vez que muitos dados são incertos ou imprecisos, o que dificulta a

modelagem através de modelos clássicos com equações. Nos modelos fuzzy usam-se

base de regras ao invés de equações e as variáveis do modelo podem ser definidas por

especialistas da área, juntamente com a base de regras.

E, através do estudo de sistemas baseados em regras fuzzy elaboramos um

modelo matemático para estimar a quantidade, ao longo do tempo de indivíduos

infectados pela bactéria causadora da tuberculose.

A Teoria Fuzzy é uma ferramenta muito útil para representar o espalhamento

de uma doença, em nosso caso da Tuberculose, em uma população de indivíduos

suscetíveis. Utilizando um Sistema Baseado em Regras Fuzzy foi possível modelar o

espalhamento da Tuberculose na população Brasileira nas últimas décadas sem o uso de

equações diferenciais. Neste sentido a Teoria Fuzzy traz grande contribuição na

construção de modelos matemáticos, ainda mais quando em alguns casos onde os

parâmetros das equações diferenciais não são conhecidos. Porém, se houver a

necessidade, esses parâmetros podem ser obtidos através do ajuste da curva solução

dada pelo modelo baseado em regras fuzzy (PEIXOTO et al, 2007).

Além disso, o uso da Teoria Fuzzy é interessante e de utilidade para a

continuação de pesquisas dessa natureza, por permitir a comparação dos parâmetros

com resultados que concordam com as regras estabelecidas por especialistas.

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ReferêReferêReferêReferênciasnciasnciasncias BibliográficasBibliográficasBibliográficasBibliográficas

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[2] http://portal.saude.gov.br/portal/saude/profissional/area.cfm?id_area=1527 (acessado em 10/08/2013)

[3] http://www.ime.unicamp.br/~laeciocb/manual_fuzzy_matlab.pdf (acessado em 05/09/2013).